Siêu tân tinh Goldilocks: Một nhóm trên toàn thế giới do các nhà khoa học UC Santa Barbara đứng đầu tại Đài quan sát Las Cumbres đã phát hiện ra bằng chứng thuyết phục đầu tiên cho một loại vụ nổ sao mới – một siêu tân tinh bắt điện tử. Mặc dù chúng đã được lý thuyết hóa trong 40 năm, nhưng các ví dụ trong thế giới thực vẫn khó nắm bắt.
Chúng được cho là phát sinh từ vụ nổ của các ngôi sao nhánh khổng lồ siêu tiệm cận (SAGB), mà cũng có rất ít bằng chứng. Khám phá được công bố trên tạp chí Nature Astronomy cũng làm sáng tỏ bí ẩn hàng nghìn năm về siêu tân tinh từ năm 1054 sau Công nguyên có thể nhìn thấy khắp thế giới vào ban ngày, trước khi cuối cùng trở thành Tinh vân Con cua.
Trong lịch sử, siêu tân tinh chia làm hai loại chính: sụp đổ nhiệt hạch và nhân sắt. Siêu tân tinh nhiệt hạch là vụ nổ của một ngôi sao lùn trắng sau khi nó thu được vật chất trong hệ sao đôi. Những sao lùn trắng này là lõi tro bụi dày đặc còn sót lại sau khi một ngôi sao có khối lượng thấp (một ngôi sao có khối lượng gấp khoảng 8 lần khối lượng của mặt trời) đến cuối vòng đời của nó. Siêu tân tinh sụp đổ lõi sắt xảy ra khi một ngôi sao khổng lồ – một ngôi sao có khối lượng gấp khoảng 10 lần mặt trời – cạn kiệt nhiên liệu hạt nhân và lõi sắt của nó sụp đổ, tạo ra một lỗ đen hoặc sao neutron. Giữa hai loại siêu tân tinh chính này là siêu tân tinh bắt điện tử. Những ngôi sao này ngừng hợp nhất khi lõi của chúng được làm bằng oxy, neon và magiê; chúng không đủ lớn để tạo ra sắt.
Trong khi lực hấp dẫn luôn cố gắng nghiền nát một ngôi sao, điều giữ cho hầu hết các ngôi sao không bị sụp đổ là sự hợp nhất đang diễn ra hoặc, trong các lõi mà sự hợp nhất đã dừng lại, thực tế là bạn không thể gói các nguyên tử chặt hơn nữa. Trong một siêu tân tinh bắt điện tử, một số điện tử trong lõi oxy-neon-magiê bị đập vào hạt nhân nguyên tử của chúng trong một quá trình gọi là bắt điện tử. Sự loại bỏ các điện tử này làm cho lõi của ngôi sao bị đè nén dưới trọng lượng của chính nó và sụp đổ, dẫn đến một siêu tân tinh bắt giữ điện tử.
Nếu ngôi sao nặng hơn một chút, các phần tử cốt lõi có thể đã hợp nhất để tạo ra các phần tử nặng hơn, kéo dài tuổi thọ của nó. Vì vậy, nó là một loại tình huống ngược lại của Goldilocks: Ngôi sao không đủ nhẹ để thoát khỏi lõi của nó đang sụp đổ, cũng không đủ nặng để kéo dài sự sống của nó và chết sau đó thông qua các phương tiện khác nhau.
Đó là lý thuyết được xây dựng vào năm 1980 bởi Ken’ichi Nomoto của Đại học Tokyo và những người khác. Trong nhiều thập kỷ, các nhà lý thuyết đã đưa ra các dự đoán về những gì cần tìm ở một siêu tân tinh bắt điện tử và các tiền thân sao SAGB của chúng. Các ngôi sao phải có rất nhiều khối lượng, mất đi nhiều khối lượng trước khi phát nổ, và khối lượng gần ngôi sao sắp chết này phải có thành phần hóa học khác thường. Khi đó, siêu tân tinh bắt điện tử phải yếu, có ít bụi phóng xạ và có các nguyên tố giàu neutron trong lõi.
Nghiên cứu mới do Daichi Hiramatsu, một nghiên cứu sinh tại UC Santa Barbara và Đài quan sát Las Cumbres (LCO), dẫn đầu. Hiramatsu là thành viên cốt lõi của Dự án Siêu tân tinh Toàn cầu, một nhóm các nhà khoa học trên toàn thế giới sử dụng hàng chục kính thiên văn trên khắp địa cầu. Nhóm nghiên cứu nhận thấy siêu tân tinh SN 2018zd có nhiều đặc điểm khác thường, một số đặc điểm lần đầu tiên được nhìn thấy ở một siêu tân tinh.
Nó giúp siêu tân tinh ở tương đối gần – chỉ cách 31 triệu năm ánh sáng – trong thiên hà NGC 2146. Điều này cho phép nhóm nghiên cứu kiểm tra các hình ảnh lưu trữ do Kính viễn vọng Không gian Hubble chụp trước vụ nổ và phát hiện ra ngôi sao có khả năng là tiền thân trước khi nó phát nổ. Các quan sát phù hợp với một ngôi sao SAGB khác được xác định gần đây trong Dải Ngân hà, nhưng không phù hợp với mô hình của siêu sao đỏ, tiền thân của siêu tân tinh sụp đổ lõi sắt bình thường.
Các tác giả đã xem xét tất cả dữ liệu được công bố về siêu tân tinh và nhận thấy rằng trong khi một số có một vài chỉ số được dự đoán cho siêu tân tinh bắt điện tử, chỉ SN 2018zd có tất cả sáu: một tổ tiên SAGB rõ ràng, giảm khối lượng tiền siêu tân tinh mạnh, một ngôi sao bất thường thành phần hóa học, một vụ nổ yếu, ít phóng xạ và lõi giàu nơtron.
“Chúng tôi bắt đầu bằng cách hỏi ‘điều này có gì kỳ lạ?'” Hiramatsu nói. “Sau đó, chúng tôi đã xem xét mọi khía cạnh của SN 2018zd và nhận ra rằng tất cả chúng đều có thể được giải thích trong kịch bản bắt giữ điện tử.”
Những khám phá mới cũng làm sáng tỏ một số bí ẩn về siêu tân tinh nổi tiếng nhất trong quá khứ. Vào năm 1054 sau Công nguyên, một siêu tân tinh đã xảy ra trong Dải Ngân hà mà theo ghi chép của Trung Quốc và Nhật Bản, nó sáng đến mức có thể nhìn thấy nó vào ban ngày trong 23 ngày và vào ban đêm trong gần hai năm. Phần còn lại kết quả, Tinh vân Con cua, đã được nghiên cứu rất chi tiết.
Tinh vân Con Cua trước đây là ứng cử viên sáng giá nhất cho một siêu tân tinh bắt điện tử, nhưng tình trạng của nó không chắc chắn một phần vì vụ nổ đã xảy ra gần một nghìn năm trước. Kết quả mới làm tăng sự tin tưởng rằng SN 1054 lịch sử là một siêu tân tinh bắt điện tử. Nó cũng giải thích lý do tại sao siêu tân tinh đó tương đối sáng so với các mô hình: Độ sáng của nó có thể được tăng cường nhân tạo do vật phóng của siêu tân tinh va chạm với vật chất được tạo ra bởi ngôi sao tiền thân như đã thấy trong SN 2018zd.
Ken Nomoto tại Kavli IPMU của Đại học Tokyo bày tỏ sự phấn khích rằng lý thuyết của ông đã được xác nhận. Ông nói: “Tôi rất vui mừng vì siêu tân tinh bắt electron cuối cùng đã được phát hiện, mà các đồng nghiệp của tôi và tôi đã dự đoán là tồn tại và có mối liên hệ với Tinh vân Con cua cách đây 40 năm. “Tôi đánh giá rất cao những nỗ lực to lớn liên quan đến việc thu được những quan sát này. Đây là một trường hợp tuyệt vời của sự kết hợp giữa quan sát và lý thuyết.”
Hiramatsu nói thêm, “Đó là ‘khoảnh khắc Eureka’ đối với tất cả chúng ta mà chúng ta có thể góp phần khép lại vòng lặp lý thuyết 40 năm tuổi, và đối với cá nhân tôi bởi vì sự nghiệp thiên văn học của tôi bắt đầu khi tôi xem những bức ảnh tuyệt đẹp về Vũ trụ trong thư viện trường trung học, một trong số đó là Tinh vân Con cua mang tính biểu tượng do Kính viễn vọng Không gian Hubble chụp. ”
“Thuật ngữ Rosetta Stone được sử dụng quá thường xuyên như một phép loại suy khi chúng tôi tìm thấy một vật thể vật lý thiên văn mới”, Andrew Howell, một nhà khoa học nhân viên tại Đài quan sát Las Cumbres và là giảng viên hỗ trợ tại UCSB cho biết, “nhưng trong trường hợp này, tôi nghĩ nó phù hợp. Điều này siêu tân tinh thực sự giúp chúng ta giải mã những kỷ lục hàng nghìn năm tuổi từ các nền văn hóa trên khắp thế giới. Và nó giúp chúng ta liên kết một thứ mà chúng ta chưa hiểu hết, Tinh vân Con cua, với một thứ khác mà chúng ta có những ghi chép hiện đại đáng kinh ngạc, siêu tân tinh này . Trong quá trình này, nó đang dạy chúng ta về vật lý cơ bản: cách một số sao neutron được tạo thành, cách các sao cực sống và chết, và về cách các nguyên tố chúng ta tạo ra được tạo ra và phân tán xung quanh vũ trụ. ” Howell cũng là lãnh đạo của Dự án Siêu tân tinh Toàn cầu, và là tác giả chính của Tiến sĩ Hiramatsu. cố vấn.
Nguồn:
Tài liệu do Đại học California – Santa Barbara cung cấp. Bản gốc do Harrison Tasoff viết ” Siêu tân tinh Goldilocks”. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.